每位工程師都想要為他們研究的系統、電源或產品設計出最佳性能。但是性能設計到底是什么呢？對電源解決方案來說可能是指尺寸、重量和功率 (SWaP) 之間的典型權衡，甚至包括成本因素 (SWaP-C)。

專為能源性能的設計（通常以效率指標衡量）主要關注在電源能耗性能的優化，即：強調運營支出 (OPEX) 也就是基本的能源成本。

如果電源解決方案對其外形因素性能進行優化，這可能會降低最大轉換效率，意思就是采取資本支出 (CAPEX) 設計的優化，將重點放在如何節約前期成本而不是通過更低的OPEX來降低攤余成本。這種區別在電源OPEX主導總擁有成本 (TCO) 的應用中至關重要，例如大型數據中心。

對于不受限制的應用，可以根據燃料、續航里程或電池壽命來確定電源OPEX。通常，這些有限的能源將作為最大化系統性能的控制因素。

因此工程師必須先了解電源、負載和操作環境之間的關系，然后才能開始清楚知道哪些性能因素是優化的重點。以電源解決方案為例，大多數的設計參數最終都集中在熱性能的設計上，比如在最大輸入電壓、滿載和高環境溫度的苛刻工作條件下，將關鍵組件保持在臨界溫度閾值以下，如半導體結、封裝表面溫度、印刷電路板或 PCB 溫度。

處理正常運行時間性能

如果輸出電壓調整率和精度是最重要的，那么優先考慮優化電源控制回路性能（反饋回路穩定性和負載瞬態響應）以確保負載突然變化后或在電源電壓驟降和浪涌期間不會造成電源輸送不穩定或不可預測。

當操作可靠性是重中之重時，也就代表關鍵任務的性能指標是應用或系統本身的正常運行時間。在這種情況下，因系統的要求甚至可能需要犧牲電源和其他設備以盡可能地保持運行，即使工作條件已超出規格。這與因短期過載、過流或過熱而設計具有內置關斷保護的電源是完全不同的做法。

雖然功率和熱指標通常不被認為是應用性能的主要瓶頸，但由于它們的基本物理特性成為基本性能的限制因素。背后的原因可能是功率半導體組件的最大結溫、電源線或功率電感器的最大電流，無論如何性能最終會受到功率或散熱限制的限制。

有時需要對系統性能做降額以維護整體隔熱層或熱分區。例如，處理器能夠處理額外的每秒百萬指令 (MIPS) 或無線電有額外的空間來進一步放大射頻信號，但系統缺乏足夠的熱管理技術來允許功耗的增加。

強調能源性能

電源通常不被特別重視，這不僅是低估了電源解決方案的復雜性和特殊需求，在可用性方面也是如此。正如先前提到的熱瓶頸，經常會看到為了節省成本或將電源壓縮到更小的空間之中，造成系統負載的峰值需求與電源能夠提供的之間有顯著的差距。如果忽略回路控制和瞬態設計的挑戰（基于本文的討論范圍），當電源子系統設計分析的安全余量過低，同時沒有充分考慮由同一共軌提供的所有負載，甚至沒有將上游電源軌納入到更大的電源解決方案的時候就有可能出現功率差距。 ?

大多數電源子系統涉及多級電壓轉換，從離線 (ac) 到中間總線電壓（通常為48/24/12 Vdc）再到ASIC和其他邏輯電路的低電壓（通常≤5 Vdc）。一般來說，由于負載電流往往會隨著總線電壓的降低而增加，因此更加關注低電壓軌的電源轉換解決方案的效率；在這種情況下，耗散損耗對整體系統的熱性能而言變得更加重要且關鍵。

即使負載終端得到了更高的關注，也很容易忽略上游電源轉換解決方案的影響。因此開發一個系統功率預算的交互式模型至關重要，該模型考慮了所有電源的負載與效率曲線，以及從終端負載一直到上游離線電源的瞬態性能所帶來的總體影響。

電源性能是否與系統性能分開？

當然不是！但是要特別強調原因可能跟你認為的不太一樣。電子世界中的一切都需要電源，因此有了電源解決方案，而電源的性能和整個系統或應用的成功與否存在著直接的關系。 ?

這種關系通常是以一種高度簡化的方式理解（電源打開、系統上電），但它沒有考慮到電源與負載交互時的穩定性。如果負載要求的瞬態表現高于電源所能提供的，這可能會導致電源控制回路不穩定以及許多不良的結果，例如調節不良、無法啟動、保護電路意外跳閘、過多的電磁輻射或EMC問題。

電源解決方案的可行性與其他系統組件一樣是由環境場景而定。電源電壓較低時對電源解決方案的額定輸出做降額并不少見，原因就是受到上述的熱瓶頸的限制。 ? 此外，我們也討論過如果系統降低功耗是有限的，那擁有更多的可用功率并不一定代表負載可使用的量就會增加。在較高海拔和較低大氣壓運行意味著必須進一步對性能做降額，因為1 kft?或300m?大約等于在海平面上額外增加1°C 的環境溫度。此外，需要加強隔離等級以便在高海拔地區工作，因為在低大氣壓下更容易發生閃絡。出于這個原因，RECOM在AC/DC 電源的規格中增加了工作海拔規格。

結論

話雖如此，有一些部署方案和電源架構是為了將電源性能與系統性能分開而設計的。在大多數情況下，這是指在有冗余的應用中電源預算與系統功率預算的比例大于1:1。供給公共負載總線的冗余電源傾向于均流（經驗法則是在彼此之間共享10%以內），這意味著電源是在遠低于其最大額定輸出電流的情況下工作。

最基本的冗余配置形式是 N+1，其中兩個電源（通常是相同的）為系統提供共享電源，雖然單個電源就足以提供全負載。由于系統功率預算中內置了許多典型余量層，因此即使系統需要絕對最大功率，這些電源只需以最大額定輸出電流的 30-40% 運行。在這個情況下如果電源和系統都經過全面設計并符合系統全功率的要求，那么電源和系統的壽命性能表現將大不相同，因為系統組件承受的熱應力其實是電源的兩倍。

劃分電源解決方案以及系統或負載需求的另一個例子是去除負載或共享負載方案。如果每次都根據最壞情況負載曲線的最大值總和來建立系統功率預算并以此決定電源解決方案的大小并不務實，很少有所有負載同時看到消耗最大功率的情況，導致許多不必要的過度設計。

這些過度設計有時會打造出一個比實際所需來得更大、更貴或更低效的電源解決方案。如果知道主要系統負載是反相的（計算和內存是系統的主要負載，電源波形的峰值和谷值往往彼此相差 180°），可以選擇較小的電源解決方案搭配智能電源管理 (IPM) 技術。

有一些電源甚至是為了在過流條件下短期運行而設計的，無需關閉或啟動任何過流保護 (OCP)。舉例來說，如果一個系統支持多個可變功率級的以太網供電 (PoE) 端口，可能需要比電源所能提供更多的短期功率（例如120 % 的額定負載持續 <200 ms），同時符合各個 PoE 端口的功率級。在這種情況下，電源的設計會讓它在不觸發 OCP 的情況下工作，同時仍為長期過流狀態提供短路保護 (SCP)。如果有一個數字控制內核，就可以對這些項目的電源響應進行簡便編程，例如RECOM的RACM1200-V電源。

編輯：黃飛

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